A APLICAÇÃO DA LEI DE COULOMB NO MODELO DE

A APLICAÇÃO DA LEI DE COULOMB NO MODELO
DE FORMAÇÃO DAS NUVENS
da Silva,C. E. 1 ; email: clá[email protected]
de Souza, F. S.2 ; email: [email protected]
1,2
Universidade do Estado do Rio de Janeiro
RESUMO
O fenômeno das descargas elétricas tem proporções globais, porém muito mais freqüente em
regiões de clima tropical, com preponderância naquelas onde ocorre a presença de grandes corpos
d’água (mares, rios, lagos, lagoas, etc). Portanto, cidades como Rio de Janeiro estão sujeitas a grandes
incidências de descargas elétricas, principalmente no período de verão.
Nossa proposta consiste em apresentar a interdisciplinaridade entre a Física e o estudo do Meio
Ambiente de maneira didática e objetiva, conforme diretrizes dos PCN e PCN +, enfatizando o Meio
Ambiente como tema transversal no Ensino Fundamental e como disciplina curricular do Ensino
Médio. O assunto em questão, ou seja, as descargas elétricas em forma de relâmpagos, não somente
envolve uma questão de cunho ambiental, como também está envolvida com uma das leis físicas mais
ensinadas e aplicadas no ensino médio, que é a lei de Coulomb, além do assunto sobre capacitores de
placas paralelas que também faz parte do programa do ensino de fisica. Assim sendo, pretendemos
abordar de forma bastante elucidativa, um modelo que ajude aos alunos visualizar as leis e os conceitos
em questão.
Palavras-chave: descargas elétricas, meio ambiente, lei de Coulomb, capacitor, interdisciplinaridade.
INTRODUÇÃO
É de extrema importância a investigação das descargas elétricas no meio ambiente. A incidência
de raios é mais comum em regiões de clima tropical e com grande concentração de corpos d’água
(mares, rios, lagos, lagoas, etc), tal como ocorre na cidade do Rio de Janeiro e em grande parte do
território brasileiro, caracterizado pelo clima quente e úmido, propício para os altos índices de
ocorrências destas descargas, principalmente no verão, quando ocorre um aumento significativo das
taxas de descargas elétricas incidentes na atmosfera (relâmpagos).
Um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera com típica
duração de meio segundo e típica trajetória de 5 a 10 km. Ele é conseqüência de um rápido movimento
de elétrons de um lado para outro na atmosfera, como resultado da estrutura elétrica adquirida pela
nuvem e o campo elétrico, que pode se formar tanto entre a nuvem e o solo, quanto entre o topo e a
base da nuvem (intranuvem), onde há grande separação de cargas. Logo, as cargas de sinal positivo
encontram-se no topo, e as de sinal negativo se distribuem pela parte inferior da nuvem, enquanto que
na superfície da terra a carga torna-se predominantemente positiva por indução, criando um campo
elétrico dirigido das cargas positivas para as negativas.
Quando este campo eventualmente quebra a rigidez dielétrica do ar, tem-se o início de um
relâmpago. Estas estruturas nuvem-solo, intranuvem e topo-ionosfera apresentam a mesma estrutura de
um capacitor de placas paralelas com um meio isolante (dielétrico), inserido entre as placas (vide figura
no final do artigo), guardando as devidas proporções.
ATMOSFERA
A extensão da atmosfera abrange a superfície terrestre até por volta de 160 quilômetros de
altura em relação à superfície, e tal altitude corresponde ao próprio limite do espaço sideral. A
atmosfera permanece junto a Terra através da ação do campo gravitacional, que a puxa para o planeta.
Devido ao peso do ar no topo da atmosfera, que exerce pressão nas camadas de ar que se situam
abaixo, a camada da atmosfera é responsável pela constante pressão à qual o planeta está submetido: a
chamada pressão atmosférica. Tal pressão varia de acordo com a altitude em que determinada
localidade se encontra (toma-se como orientação a pressão atmosférica ao nível do mar para a
relativização da pressão nas diversas localidades do planeta).
IONOSFERA
A atmosfera compõe-se de oxigênio e de nitrogênio em estado molecular nas camadas mais
profundas e em estado atômico nas camadas mais elevadas. Os componentes desses elementos, assim
com os outros existentes na atmosfera, absorvem os raios ultravioletas e os raios X que são radiações
solares de alta energia de ondas curtas. Nesses processos, um elétron é retirado de uma molécula ou de
um átomo por efeito fotoelétrico, deixando, assim, elétrons livres e íons positivos. Essa ionização se
produz, em especial, nas camadas relativamente delgadas da atmosfera acima de 60 km de altitude. De
fato, muito pouca radiação é absorvida nas camadas superiores da atmosfera, em virtude de sua fraca
densidade, como conseqüência disso a concentração de íons é pequena. Já na camada inferior nada
ocorre, pois a radiação de ondas curtas necessária para ionização já foi esgotada fazendo com que a
concentração de íons nessa camada também seja muito pequena. As camadas superiores a 60 km se
chamam ionosfera, e a parte inferior de neutrosfera.
MODELO DE UM CAPACITOR DE PLACAS PARALELAS
Considerando apenas uma pequena extensão que vai desde a ionosfera até a superfície da Terra
poderemos comparar este sistema a um sistema de capacitores de placas paralelas.
Este modelo representa o campo elétrico natural sob o qual estamos submetidos. Sendo a
ionosfera constituída por uma nuvem de elétrons livres, temos que a superfície da Terra fica carregada
positivamente devido ao processo de indução eletrostática. Constitui-se dessa forma um campo elétrico
entre a ionosfera e a superfície da Terra que atua no sentido de baixo para cima, ou seja, das cargas
positivas para as cargas negativas. No processo de formação das nuvens de tempestades, poderíamos
supor com boa aproximação a configuração descrita na figura abaixo.
Alguns fatores podem contribuir para a configuração elétrica da nuvem tal como a conhecemos.
Quando uma gotícula ou um cristal de gelo cai dentro de uma nuvem e fora dela, tem atrito com o ar e
termina “roubando” um ou dois elétrons (fenômeno semelhante aquele de carregar eletricamente a sola
dos sapatos por atrito contra um tapete, em ambiente seco, ou uma régua de plástico atritando-a com
um pano de flanela). Esta ação tão simples permite prever que uma nuvem bastante desenvolvida
termina perdendo cargas negativas (que estariam mais concentradas perto de sua base, por causa das
gotas ou cristais que caem), e seu topo fica carregado positivamente.
Outro fator é a densidade do átomo de oxigênio, que compõe juntamente com mais dois átomos
de hidrogênio a molécula do vapor d’água. Esta densidade é maior do que a densidade do átomo de
hidrogênio. Portanto, vemos que o átomo de oxigênio é mais pesado, por isso sua tendência é se
direcionar para a parte inferior da nuvem.
Considerando ainda o corpo da nuvem, outro fator que pode ser considerado é a carga do átomo
de oxigênio. Como sabemos, o oxigênio é um elemento mais eletronegativo do que o hidrogênio,
conseqüentemente, na estrutura elétrica da molécula de água, os elétrons dos dois hidrogênios tenderão
a ficar mais próximos do oxigênio, fazendo com que este possua uma carga negativa e aquele uma
carga positiva. Então, como a superfície da Terra está carregada positivamente e a ionosfera carregada
negativamente, teremos que, por atração coulombiana, os átomos de oxigênio se deslocarão para a base
da nuvem e os átomos de hidrogênio se deslocarão para o topo da nuvem. Assim, o campo elétrico
intranuvem contribuirá para o processo de polarização e posterior ionização da molécula de água.
Figura
IONOSFERA - - - - - -
+++++++++++++++++++
- - -- - -- - - -- - - -- - -- - - -- - -
SUPERFÍCIE DA TERRA + + + + +
Com isso vemos que a estrutura elétrica da nuvem se deve também a estrutura elétrica da
própria atmosfera que devido à atração coulombiana, contribui para este tipo de configuração elétrica.
REFERÊNCIA
Brasil, Ministério Da Educação, Secretaria De Educação Média E Tecnológica. Parâmetros
Curriculares Nacionais: Ensino Médio. Brasília: Ministério Da Educação, 360p, 1999.
BRASIL, Ministério da Educação, Secretaria de Educação Média e Tecnológica. PCN + Ensino
Médio: Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Brasília:
Ministério da Educação, 360p, 2002.
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